Echo Investment S.A. zbudowało w Kielcach nowoczesny zespół budynków biurowych, będący siedzibą własną oraz innych kieleckich spółek giełdowych. System grzewczo-klimatyzacyjny został zaprojektowany i wykonany w oparciu o pompy ciepła typu woda/powietrze pracujące w pętli wodnej (ang. Water Loop Heat Pumps – WLHP). Artykuł omawia kluczowe problemy projektowo-wykonawcze, z jakimi należało się zmierzyć budując jedną z pierwszych tego typu instalacji na potrzeby budynków biurowych. Omawia też aspekty ekonomiczne takiego wyboru oraz argumenty za stosowaniem tego typu instalacji w budownictwie komercyjnym w przyszłości 

Wybór systemu HVAC i jego konsekwencje
    Budowa kompleksu biurowego Astra Park w Kielcach rozpoczęła się w roku 2006 w systemie pakietowania poszczególnych zakresów budowlanych, gdzie Echo Investment SA było Generalnym realizatorem inwestycji. W trakcie realizacji stanu surowego w roku 2006 trwały wciąż prace projektowe w poszczególnych branżach, w tym w branży HVAC.

    Echo Investment SA przystępując do projektowania stanęło przed dylematem – w jakim standardzie budować. Z jednej strony była budowana siedziba wszystkich kieleckich spółek giełdowych (Cersanit SA, Barlinek SA, Echo Investment SA), kontrolowanych przez kieleckiego biznesmena p. Michała Sołowowa. Należało jak zwykle szukać rozwiązań gwarantujących najwyższy komfort i jakość, tak aby budynki posiadały ponadczasowy wygląd i charakter oraz długo mogły się opierać szybkim zmianom w technice instalacyjnej. Na dodatek, aby były wygodne, bezpieczne, ekonomiczne w eksploatacji oraz tanie inwestycyjnie.
    Ale też budowanie na własne potrzeby pozwoliło na szersze poszukiwanie nowych rozwiązań i sięgnięcie po zaawansowane technologie – nawet kosztem poniesienia wyższego ryzyka wdrażając nowe pomysły. Echo Investment SA jest otwarte na nowe pomysły i gotowe ponosić pewne ryzyko, tym bardziej na własne potrzeby. Niezmienne jak zawsze było finansowanie – po stronie wydatków był ustalony i zatwierdzony budżet inwestycji , który był stały i nie mógł być przekroczony. Prace budowlane na dodatek odbywały się w trakcie gwałtownego wzrostu cen większości materiałów, a przede wszystkim przy rosnących cenach robocizny. Takimi warunkami charakteryzował się przełom roku 2006 i 2007, co utrudniało zachowanie dyscypliny budżetowej projektu.

    Pierwotnym zamierzeniem Projektanta było zapewnienie warunków komfortu w budynku. System miał być realizowany w oparciu o klasyczne rozwiązanie klimakonwektorów czterorurowych, z niezależnym chłodzeniem i grzaniem. Jednak wymagania budżetowe nakazały zrewidować takie założenia i poszukać rozwiązania tańszego. Na pierwszy rzut oka wydawało się, że alternatywą takiego rozwiązania może być jedynie system klimakonwektorów grzewczochłodzących dwururowych. Świadomość, że takie rozwiązanie nie gwarantuje pełnego komfortu cieplnego w każdym pomieszczeniu wymusiła dalsze poszukiwania rozwiązania. Harmonogram budowy był napięty, więc w krótkim czasie ponownie przeprowadzono szereg analiz techniczno-ekonomicznych w poszukiwaniu optymalnego rozwiązania.
    Po dogłębnej analizie okazało się, że można zachować w pełni autonomiczny system grzewczo-chłodniczy dla każdego pomieszczenia biurowego i jednocześnie obniżyć koszty inwestycyjne. Niespodziewanie w sukurs przyszedł szybko taniejący dolar amerykański oraz fakt kilkuletnich dobrych, własnych doświadczeń z eksploatacji instalacji w wielopoziomowych Centrach Handlowych. Doświadczenia wyniesione z budowy i obserwacji eksploatowanych obiektów o charakterze biurowym dawały podstawę do przyjęcia założenia, że będzie to system odpowiedni. Zapadła decyzja o przeprojektowaniu instalacji ogrzewania i chłodzenia w systemie znanym głównie w USA pod nazwą WLHP (Water-Loop Heat Pumps) i oznaczającym pracę pomp ciepła typu woda/powietrze w niskotemperaturowej pętli wodnej. Tylko dzięki bogatemu bagażowi doświadczeń i własnych obserwacji praktycznych funkcjonujących budynków komercyjnych Echo Investment SA, możliwe było podjęcie tej decyzji i wykonanie pierwszego w Polsce kompleksu biurowego w systemie WLHP. 

    Na łamach miesięcznika Chłodnictwo & Klimatyzacja system ten był już omawiany w dwóch artykułach w 2007 r. w aspekcie sklepów wielkopowierzchniowych (m. in. Centrum Handlowym Galaxy w Szczecinie, którego właścicielem jest Echo Investment SA), więc dla przypomnienia tylko krótko scharakteryzuje podstawowe teoretyczne cechy i założenia systemu zwanego w skrócie WLHP.

Charakterystyka systemu WLHP
    Pompy ciepła w systemie WLHP działają jako elementy grzewczo-klimatyzacyjne tworząc system do odzyskiwania energii cieplnej (Heating Recovery System), która w systemach konwencjonalnych jest niewykorzystywana i wydalana w postaci ciepła do atmosfery. System WLHP składa się z indywidualnych urządzeń typu pompa ciepła woda/powietrze, połączonych miedzy sobą wodnym obiegiem zamkniętym. Woda krążąca w tym obiegu spełnia jednocześnie funkcję czynnika przenoszącego energię pomiędzy pomieszczeniami budynku, będąc tzw. „dolnym” źródłem ciepła dla zainstalowanych pomp ciepła. Kluczowe dla podjęcia decyzji o stosowaniu pomp ciepła w omawianych biurowcach było właśnie poprawne zidentyfikowanie „dolnego” źródła ciepła. W przypadku omawianej instalacji postawiona została teza, że zyski wewnętrzne budynków stanowią tzw. dolne źródło ciepła dla pomp ciepła. Czy taka teza jest słuszna?

    Większość budynków generuje stałą energię własną, która przy systemach konwencjonalnych jest bezpowrotnie tracona przez wydalanie jej na zewnątrz do atmosfery. Dla odmiany w systemach WLHP stosujących pompy ciepła typu woda-powietrze, energia własna budynku jest przechwycona i wykorzystana w zamkniętym obiegu wodnym (który jest aktywnym czynnikiem wymiany energii cieplnej).
    Przy maksymalnym wykorzystaniu źródeł energii własnej budynku pobór energii cieplnej oraz towarzyszące jej koszty eksploatacyjne są obniżone o 20–40% w porównaniu do innych systemów grzewczo-klimatyzacyjnych. Źródłami wewnętrznej energii cieplnej budynku mogą być przede wszystkim:
● energia cieplna od oświetlenia,
● ludzkie ciało,
● komputery i monitory,
● urządzenia i maszyny,
● energia promieniowania słonecznego,
● energia cieplna powietrza wywiewanego.

    Są jeszcze inne źródła energii własnej budynku, aczkolwiek wyżej wymienione stanowią najbardziej znaczące i najczęściej spotykane. W systemie WLHP cała ta energia wewnętrzna może być pobrana z pomieszczeń wymagających chłodzenia i przekazana do pomieszczeń wymagających ogrzewania. To zaś ma kolosalny wpływ na znaczne zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych ogrzewania budynku. Są również znane przykłady wykorzystania energii wewnętrznej z układów technologicznych obiektów o ciągłej emisji ciepła. System WLHP pozwala wówczas na włączenie do pętli wodnej praktycznie każdego odbiornika – porządkując jednocześnie struktury instalacyjne.

    Rozważając typowy budynek ze strefą wewnętrzną i pomieszczeniami przylegającymi do ścian zewnętrznych, można wyodrębnić 3 podstawowe fazy zachowania budynku:
1. Cały budynek potrzebuje chłodzenia – nadmiar ciepła zostaje „pobrany” przez pompy ciepła i przekazany wodzie płynącej w zamkniętym systemie obiegowym do zewnętrznego układu chłodniczego;
2. Cały budynek wymaga grzania – ciepło musi być dostarczone z tzw. dolnego źródła ciepła do wody płynącej w zamkniętym systemie obiegu wodnego i rozprowadzone indywidualnie przez pompy ciepła w poszczególnych pomieszczeniach. Dolnym źródłem ciepła może być konwencjonalne urządzenie energetyczne (kotłownia, węzeł cieplny) lub źródła geotermalne;
3. Część budynku wymaga ogrzewania, a część chłodzenia – wnętrze budynku wymaga chłodzenia i pompy ciepła oddają energię cieplną do petli wodnej i przekazują ją do pomieszczeń szczytowych wymagających ogrzewania. W zależności od ilości generowanej energii wewnętrznej budynku – przy pewnej temperaturze zewnętrznej ustala się stan równowagi cieplnej układu. To oznacza, że nie ma potrzeby ani grzania, ani chłodzenia wody obiegowej.

    Poziom równowagi cieplnej uzyskuje się przy temperaturze wody w obiegu zamkniętym w przedziale około 16–36^oC. Poniżej granicznej temperatury (w zimie) energia cieplna jest dostarczana ze źródła ciepła do obiegu wodnego, tak aby utrzymać ją na zadanym poziomie. Powyżej temperatury granicznej (w lecie) nadmiar ciepła jest usuwany z wody za pomocą chłodni wentylatorowych, tak aby nie przekroczyć 36^oC. Przedział temperaturowy pomiędzy 16–36^oC dla wody w obiegu zamkniętym gwarantuje pełną funkcjonalność każdej pompy ciepła w obiegu, co oznacza że każda pompa w zależności od potrzeb może dostarczyć ciepłe lub zimne powietrze do pomieszczenia.

Opis omawianego zespołu budynków biurowych
(...)

Rozwiązania techniczne instalacji HVAC w biurowcach
(...)

Ochrona przed hałasem od pomp ciepła
(...)

System dostarczania świeżego powietrza
(...)

Koszty inwestycyjne
(...)